冰层温度场及冰盖厚度演变分析

2015-07-26孙同非万守朋李春良山东省交通运输厅京杭运河工程建设办公室济南5004山东省交通规划设计院济南5003

山东工业技术 2015年2期

关键词：温度场影响因素

孙同非,万守朋,李春良（.山东省交通运输厅京杭运河工程建设办公室,济南　5004；.山东省交通规划设计院,济南　5003）

冰层温度场及冰盖厚度演变分析

孙同非1,万守朋1,李春良2
（1.山东省交通运输厅京杭运河工程建设办公室,济南250014；2.山东省交通规划设计院,济南250031）

摘要：研究冰厚的演变过程是分析冰凌演变过程的基础。本文通过连续观测到的冰温及冰厚实验数据，探讨了冰层温度场及冰厚的演变过程及影响因素，并与一种冰厚计算方法进行了对比。

关键词：冰厚;演变过程;温度场;影响因素

1　引言

冰的生消演变与其运动是一个非常复杂的物理过程，涉及到水动力、机械力和热力等因素[1]。输水渠道冰生消过程主要由其热力要素控制，并可通过冰热力模式进行模拟。本文主要研究冰盖内温度场和冰厚度随着气温等因素的变化情况，并在深入分析冰盖生长、消融机理的基础上，以观测数据验证实用的冰厚计算方法。

2　冰情观测试验

2.1试验布置及测量

为了准确把握天然冰在冰期生长情况及冰的热力学因素对其影响，研究各相关因素之间的关系，采用加气砂浆砌筑了长度为2.5m，宽度为1.5m，高度为1m的室外防冻裂水池，以便于密切观测冰的动态。从2012年12月开始，开展了冰厚及不同位置温度观测试验。自2012 年12月22日起，试验池水面开始封冻。共选定三个观测点，连续进行了定点位置的冰厚、冰温、气温和水温的观测。为了更加准确地掌握冰盖厚度、冰温、水温在一天中的变化和日平均冰厚的发展，每日进行六次观测。观测时间分别为：上午8：00、10：00、12：00、14：00、16：00和18：00。

2.2测量方法

冰厚测量选取三个测点，平均布置在池边距离池中心三个位置，当水面开始结冰之日起，每次测量时将测量杆轻轻向上提起，直至测量杆下部横板抵触冰面下表面，读取测量杆上刻度，即可确定冰厚。将测量架固定在试验池中心位置，根据以往经验预估最大冰厚，在水面及以下间隔60mm共设置6个温度传感器，同时又分别在水底放置一个温度传感器测量水温，冰面上200mm处放置一个温度传感器测量气温。

2.3观测结果分析

由于观测数据较多，全部用来生成图表会导致图表显示混乱，难以进行分析。此处选取1月11日至18日所测得的数据，因此时水面已彻底封冻，该数据具有一定代表性。

图1　冰层温度及水温随气温变化曲线

从上图中不同时刻冰层内温度及水温随着气温变化曲线，可以看出，冰层内温度场随着气温变化明显，越接近冰上表面的测点冰温随气温变化越明显。同时分析可知，当气温持续降低，冰表面温度最低，冰下下表面温度最高，形成上冷下热的渐次增高的分布；当气温持续升高时，冰表面温度最高，冰下下表面温度最低，形成下冷上热的渐次变化分布。当气温在变化幅度较小的区域内反复升降，冰层内温度场就出现上下表面热，中间冰层温度低的“外热内冷”分布。

水温变化曲线随着气温的变化并没有太大的浮动，十分趋近于0℃，可以假定冰层下表面和水温是一样的，都是0℃。

2.4气温对冰厚影响分析

通过对比各测点冰厚变化过程和天气状况之间的关系发现，持续低温作用是影响冰盖厚度的主要因素。同时，降雪之类的天气变化对冰盖厚度的变化也有重要影响。